尤政院士：为什么高端传感器是一项至关重要的“卡脖子”技术？

从茫茫星空，到浩瀚海洋，再到广袤大地，作为信息获取的源头，传感器是物理世界与数字世界连接的桥梁，已经成为信息化社会最为重要的基石之一。传感器主要功能是将各种物理量、化学量或生物特征等待感知量转换为可检测与数字化的电信号，是我们感知世界的首要工具。传感器在科学研究、工业生产、国防安全、医疗健康等现代社会的方方面面扮演着至关重要的角色，发挥着不可或缺的关键作用。当前，传感器已经从早期由敏感元件与处理电路构成的分立式装置，演变成集信息获取、处理、传输、供电等功能于一身的智能传感微系统，也就是我们常说的高端传感器，其数字化、微型化、智能化的特色十分突出。然而，也正是由于高端传感器的高精尖属性，它又成为我们目前面临的一项核心“卡脖子”技术。

高端传感器是一项至关重要的“卡脖子”技术

那么，为什么高端传感器是一项至关重要的“卡脖子”技术？高端传感器究竟能带给我们什么？我国距离传感器强国还有多远？

首先，传感器的特点十分鲜明：一是传感器涉及很多新原理、新材料、新器件，所以它和很多基础科学、基础技术的创新关联十分密切。而且传感器又是直接应用于整机设备，或服务于终端用户，与各行各业、各个领域的关联同样紧密，如集成电路（IC）装备中的许多高端传感器就被列为关键核心技术。二是传感器往往汇集了物理、化学、电子、机械、设计、制造、测试等各个学科领域的前沿尖端技术，学科交叉融合的特点十分明显；同时传感器产业的投入也非常大，高端传感器的敏感结构基本都是采用MEMS（微机电系统）制造技术，高端传感器的技术、资金双密集特点尤为突出。三是由于传感器的应用十分广泛，使得传感器的技术门类十分庞杂，相应的产品、产业分布非常广，比如仅仅一个压力传感器在水利水电、交通运输、工业生产、自动控制、航空航天、电力电子、石油、化工、勘探等众多行业就有上千种方案，且每一种解决方案都有其特殊要求。

其次，传感器在工业技术体系中的定位是“基础零部件和元器件”，因为传感器是信息获取的源头，是物理世界与数字世界的接口，其重要意义体现在：它是“工业基石”，是各类现代工业赖以生存和发展的基础；它又是“性能关键”，直接决定重大装备和整机产品的性能和质量。正是由于传感器的基础性与关键性，又造成了瓶颈问题与依赖性：即高度依赖外国技术或产品，对我国产业造成严重影响，甚至威胁到国家安全和战略利益。高端传感器这样一个对我国关键产业、经济发展与国防安全至关重要，但又存在重大技术瓶颈或依赖进口的技术，已经成为“卡脖子”技术，亟待攻克。

高端传感器究竟能带给我们什么

在科技前沿创新中，传感器是“先行官”。纵观科技发展史，历次世界科学中心的形成都得益于核心传感器技术突破以及以此为基础的重要科学仪器的诞生。有统计表明，在诺贝尔奖的获奖名单中，72%的物理学奖、81%的化学奖、95%的生理学或医学奖都是借助于尖端传感器与仪器完成的，且已有38项、60余人次由于发明了新原理的科学仪器而直接获奖。而科学仪器对事物进行检测表征，获得科学数据的关键就是高端传感器：比如X射线衍射仪、X射线断层扫描仪、超分辨率荧光显微镜、电子显微镜等仪器中的光电探测器、电子探测器、温度传感器，质谱仪、扫描隧道显微镜中的位移传感器、力传感器等等。而现代科学仪器中，高端传感器是决定性的，直接代表了分析、检测和表征的水平。

在国民经济主战场，传感器是“倍增器”。传感器的应用领域非常广泛，几乎渗透到社会生产生活的各个层面。例如：在仅有通讯功能的传统手机，集成了大量传感器：图像传感器、陀螺仪、加速度计、距离传感器、环境光传感器、磁强计、电容传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器……，使得传统手机摇身一变成了智能终端，手机的功能、性能都增强了很多，特别是与人的互动能力大大提升，手机行业的发展不仅得到“倍增”，而且进入了全新的时代。

当然，传感器行业本身也具有不容低估的市场规模。根据德国Statista数据分析公司数据，2022年全球传感器市场规模为2512.9亿美元（约1.79万亿人民币）。其中我国传感器市场规模为3096.9亿元人民币，2019—2022年均复合增长率为12.26%。尽管我国传感器市场增速相对稳定，但全球龙头企业如爱默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等跨国公司占据约60%的国内传感器市场份额，尤其在高端传感器市场，我国约80%的传感器依赖进口。特别需要说明的是，传感器除了自身的万亿级市场之外，有研究表明，传感器带动的上下游产业链所创造的产值大约是传感器行业产值的6倍左右。

传感器在国家战略工程中是“胜负手”

传感器的性能、质量，直接决定重大装备和战略产品的性能、质量。高铁现在已经成为我国的一张名片，传感器就发挥了不可或缺的作用，高端传感器在高铁上有六大应用场景：一是列车监测与维护，二是轨道健康监测，三是列车安全防护，四是乘客信息交互，五是能源管理，六是环境综合监测。以和谐号380AL高铁列车为例，一辆列车里的传感器数量超过1000个，平均每40个零部件里就有一个传感器，它们承担着状态监视、故障报警、车载设备控制等功能，被认为是轨道交通运营安全的保障性技术和装备持续升级的关键性技术。未来，传感器与人工智能等新兴技术将实现深度融合，中国高铁将更智能、更安全。

在医疗健康中，传感器是“金刚钻”。现代医疗离不开各种检测，各类医疗仪器就是通过各类传感器获取与病人病理相关的各种医疗数据，来为医生诊疗提供依据。例如用于测量血管内外径、血流速度、血压、心内压、体温等多种生理参数各类位移、速度、振动（加速度）、力、流量、压强和温度传感器；用于检测血液中的离子（如K+、Na+、Ca2+ 等）和气体（如O2、CO2）的浓度的化学传感器；利用选择性识别来测定生化物质的酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器和DNA传感器等；通过测量细胞或组织的微弱电信号的变化来监测生理状态的心电（EKG）、脑电（EEG）、肌电（EMG）等生物电传感器，这些传感器在诊断心脏疾病和肌肉功能状态中非常重要。传感器是医疗领域中不可或缺的技术，它们对疾病的预防、诊断和治疗起着至关重要的作用。

在国防安全中，传感器是“战斗力”。现代战争从某种程度上来讲，打的就是传感器。在最近的乌克兰危机中，有统计表明80%的毁伤效果是由占全部弹药总量20%的精确制导弹药，也就是导弹、制导炸弹等造成的。这些高精度的惯性、无线电、激光、光电、红外、卫星等精确制导技术中，惯性测量单元（IMU）、激光传感器、红外传感器、毫米波传感器、光电传感器、雷达等各类高端传感器发挥了决定性的关键作用。除此之外，隐身战机、航母舰队、卫星星座等武器装备，更加需要由各类高端传感器组成的信息感知网络提供数据，进行态势感知、目标打击、体系作战等各项行动。装备有各类高端传感器的无人系统已经开始在现代战场崭露头角，未来战场的无人机、无人车、机器人系统等武器装备将更加趋于常态化，这些“机器战士”的千里眼、顺风耳则完全要依靠高端传感器。而且，随着传感器等先进技术的快速发展和进一步赋能，各种新概念武器装备也将涌现出来，传感器技术在国防安全事业中将发挥更大作用。

我国距离传感器强国还有多远

传感器这么重要，市场规模也很大，我国一定要发展高端传感器。但是，我国高端传感器的发展现状不容乐观。我国的高端传感器，尤其是中高端传感器的MEMS芯片还大量依赖进口，被“卡脖子”之外，我国高端传感器行业创新生态、设计工具与研发平台、先进材料与核心器件、高端芯片与工艺设备、系统集成与转化应用等方面，还存在差距。

我国要成为传感器强国，需要在如下几个方面持续发力。第一是要关注“产教融合”，也就是人才培养与产业发展深度关联融合。前面讲过传感器是一个多学科交叉、技术密集，且与应用紧密关联的领域，高端人才与技术创新的重要性不言而喻。创新人才培养和原创技术开发相结合的产教融合，是发展传感器，成为传感器强国的首要条件。第二是要强化协同创新，前面还讲了传感器行业是投资密集，产品应用广但产业分散的行业，因此，政府、企业、高校、科研院所、用户、金融机构等各个创新要素必须统筹规划、合理布局、协同创新。通过公共研发平台建设与共性技术开发与共享机制，来实现传感器全行业的高效运行，持续、健康、快速发展。第三是加大示范应用，可以围绕国家的重大工程任务、国家亟须的重要战略装备以及有代表性的社会经济生活需求，有组织地开展创新，体现新型举国体制的优势，通过传感器赋能，形成新质生产力，推动产业集聚，形成传感器产业的生态链。